Resonans fluorescens av en InGaAs Quantum Dot i en Planar hålighet med ortogonala Excitation och upptäckt

Summary

Resonant excitation av en enda själv monterade kvantpricken kan uppnås med en magnetiseringen läge ortogonalt till fluorescens insamling läge. Vi visar en metod med hjälp av vågledare och Fabry-Perot transportsätt en planar microcavity kring kvantprickarna. Metoden tillåter fullständig frihet i den Upptäck polariseringen.

Abstract

Förmågan att utföra samtidiga resonant excitation och fluorescens upptäckt är viktigt för quantum optiska mätningar av kvantprickar (QDs). Resonant excitation utan fluorescens upptäckt – till exempel en differentiell överföring mätning – kan fastställa några egenskaper hos det utsändande systemet, men tillåter inte program eller mätningar utifrån avgivna fotonerna. Till exempel kräver mätning av fotonen korrelationer, observation av Mollow triplett, och förverkligandet av single photon källor alla insamling av fluorescensen. Osammanhängande excitation med fluorescens upptäckt – till exempel ovan band-gap excitation – kan användas för att skapa single photon källor, men störningen av miljön på grund av magnetiseringen minskar indistinguishability av fotonerna. Single photon källor baserat på QDs måste vara resonantly glada över att ha hög photon indistinguishability och samtidig insamling av fotonerna kommer att behöva göra använda av dem. Vi visar en metod att resonantly excitera en enda QD inbäddade i en planar hålighet av koppling excitation balken i denna hålighet från kluvna inför provet samtidigt samla fluorescensen längs provets yta normalt riktning. Genom att noggrant matcha excitation balken till vågledare läge av kaviteten, kan excitation ljuset par i kaviteten och interagera med QD. Den spridda fotoner kan par till Fabry-Perot läge av hålrum och fly i ytan normal riktning. Denna metod tillåter fullständig frihet i upptäckt polarizationen, men excitation polarizationen begränsas av förökningen riktningen av magnetiseringen balken. Fluorescensen från vätning lagret ger en guide om du vill justera samling sökvägen med avseende på excitation balken. Ortogonalitet av lägena excitation och detektion möjliggör resonant excitation av en enda QD med försumbar laser scattering bakgrund.

Introduction

Resonant excitation av en enda quantum emitter kombinerat med fluorescens upptäckt var en långsiktig experimentell utmaning främst på grund av oförmågan att spektralt diskriminera den svag fluorescensen från starka magnetiseringen spridningen. Denna svårighet, dock har varit framgångsrikt övervinna under det senaste decenniet av två olika metoder: mörkt-fält confocal excitation baserat på polarisering diskriminering^{1,2,3,4 ,5}och ortogonala excitation-påvisande baserat på spatialt läge diskriminering^{6,7,8,9,10,11, 12,13,14}. Båda metoderna Visa en stark förmåga att avsevärt undertrycka laser spridning och således är allmänt antas i olika experiment, till exempel observation av spin-photon entanglement^{5,15, 16}, demonstration av klädd staterna^{2,7,12,17,18,19,20,21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26}och sammanhängande manipulation av trånga spins^{3,27,28,29,30}. Varken strategi kan tillämpas allmänt på varje situation; Vart är begränsad till vissa specifika villkor. Mörka fält tekniken använder tredjeparts frihet att polarisering av fotoner att undertrycka excitation laser spridningen. Denna teknik har flera fördelar. Till exempel finns det inget krav på en väldefinierad vågledare läge, vilket gör att endast confocal genomförandet. Confocal genomförandet möjliggör cirkulärt polariserad excitation och eventuellt snävare fokus för magnetisering balken på quantum utsändaren, vilket resulterar i högre excitation intensitet. Dock denna polarisering-selektiv metod begränsar upptäckt polarisationen vara ortogonal till magnetiseringen polariseringen, och därmed hindrar en fullständig karakterisering av egenskaperna polarisering av fluorescensen. I jämförelse bevarar spatialt läge diskriminering full frihet för upptäckt polarisering genom att utnyttja ortogonalitet mellan lägena förökning av excitation och upptäckt balkar att undertrycka den laser scattering⁴. Begränsningarna av denna teknik är behovet av en vågledare struktur i urvalet för att ge en magnetiseringen läge ortogonal mot Läcksökningsläge och begränsning av magnetiseringen polarisationen vara vinkelrät mot förökningen av balken .

Här visar vi ett protokoll för att konstruera en gratis-rymdbaserade ortogonala excitation-detection setup för resonans fluorescens experiment. Jämfört med det banbrytande arbetet på spatialt läge diskriminering där en optisk fiber användes till par ljus in i kaviteten⁶, detta protokoll ger en lösning i ledigt utrymme, och kräver inte kinetiska komponenter att montera antingen provet eller den fiber i kryostaten. Fina kontroll av riktningarna av magnetiseringen balken och upptäckt sökväg är manipulerade av optik utanför kryostaten, medan asfäriska singlet linser fungerar som fokusera mål inuti regionen kalla kryostaten. Vi tillhandahåller representativa bilder av nyckel justering steg i processen att uppnå resonant excitation och upptäckt av fluorescens från en enda quantum dot.

Det prov som används för denna demonstration odlas av molekylärt stråla epitaxyen (MBE). De InGaAs kvantprickarna (QDs) är inbäddade i en GaAs-spacer som avgränsas av två distribuerade Bragg reflektorer (DBRs), som visas i vyn zooma in av provet i figur 1. GaAs distanshylsan mellan DBRs fungerar som en vågledare, där excitation balken är enbart av totalreflexion. DBRs också fungera som hög-reflektionsförmåga speglar för wavevectors som är nästan normala prov mittplan. Detta bildar en Fabry-Perot läge som QDs par när avger fluorescens. Fabry-Perot läget måste vara resonant med de utsläpp våglängd λ av QDs, vilket kräver GaAs mellanlägget vara ett heltal multipel av λ/n, där n är brytningsindex av GaAs. För denna demonstration, är tjockleken på GaAs avståndsbilden valt att vara 4λ/n, vilket är ungefär 1 µm, så att nära diffraktion begränsad plats storleken på infallande excitation balken. En smalare spacer skulle resultera i en lägre koppling effektivitet av magnetiseringen balken in i vågledare-läge.

Den experimentella setup visas i figur 1. Att maximera kopplingen effektivitet, en asfäriska enögda mål E_obj med numeriska bländaröppningen NA = 0,5 och 8 mm brännvidd är valt att fokusera excitation balken på kluvna inför provet. Funktionen Keplerian teleskopet (bestående av objektiv par E1 och E2) i sökvägen magnetisering är tvåfaldigt: (1) att fylla bländare på den excitation mål E_obj så magnetiseringen balken är hårt fokuserad för bättre läge-matchning till waveguide (i denna insikt kollimerad stråle diametern är 2,5 mm), och (2) för att ge tre grader av frihet att manövrera brännpunkten av magnetiseringen balken på kluvna inför provet. Lins E1 är monterad på en X-Y translationell fäste som ger de två frihetsgrader att skifta excitation plats fritt i planet av klyvs prov ansiktet. Lins E2 är monterad på en icke-roterande zoom bostäder som ger frihet att välja djupet i brännpunkten i provet. Dessa tre grader av frihet tillåter oss att optimera resonant excitation av en enda QD utan rörelse av provet själv.

I sökvägen fluorescens samling används en liknande Linskonfiguration (L_obj, L1 och L2) att möjliggöra upptäckt av fluorescens från olika delar av provet. Ljuset från provet fokuseras av en av två tube linser på antingen en IR-känslig kamera (L_cam) eller ingången skåran i spektrometern (L_spec). Rörelse av L1 längs z-axeln justerar fokus i bilden, och laterala översättning av L2 orsakar bilden att skanna över ytan av provet. Brännvidderna L1 och L2 är lika så deras förstoringen är enighet. Detta görs för att maximera intervallet L2 kan översättas innan vinjettering uppstår.

För att underlätta anpassningen och plats för en QD, är en hembyggda illuminator baserat på Kohler belysning införlivas setup, som visas i figur 1. Kohler belysning syftar att ge jämn belysning i urvalet och se till att en jagmage i belysning och ljuskällor syns inte i exempelbilden. Lins konfigurationer av både lampan och samling banan är noggrant utformade för att separera konjugat bild hyvlar av provet och ljuskälla. Varje lins i sökvägen samling är separerad från sina grannar med summan av deras brännvidder. Detta säkerställer att varhelst exempelbilden är i fokus – såsom på sensorn i kameran – ljuskällan bilden helt oskärpa. På samma sätt, där ljuskällan bilden är i fokus – såsom vid tillbaka fokalplanet målet – exempelbilden är helt oskärpa. Ljuskällan är en kommersiell ljusavgivande diod (LED) avger på 940 nm. Aperturbländaren möjliggör justering av belysning intensitet och fältbländaren avgör synfältet som skall belysas. Nycklarna till att inse jämn belysning är att ställa in avståndet mellan lins K4 och L2 vara summan av brännvidderna av två linser, och för att säkerställa att bländaren l_obj inte är överfyllt av belysningen. I detta protokoll används belysning också för att optimera avståndet mellan L_obj och provet.

Den objektiva L_obj och antingen röret lins ger en förstoring på 20 x på kameran eller spektrometern. Lins para L3 och L4 mellan L_obj och L_spec bildar en annan Keplerian teleskop som ger en extra 4 x förstoring till bilden på avgift – tillsammans enhet (CCD) av spektrometern. Tillägg av linser L3 och L4 resulterar i en total förstoring av 80 x, som är nödvändigt att rumsligt skilja fluorescens från närliggande QDs. L3 och L4 är monterade på vändning fästen för att underlätta byte av förstoring eftersom 20 x förstoring ger en större synfält på provet.

Om du vill överlappa synfältet av samling sökvägen med sökvägen till magnetiseringen strålen genom vågledare, är utsläpp från kontinuum kvantprickens vätning lager bra. Kan man bestämma utsläpp våglängden av lagrets vätning genom att mäta emissionsspektrum av provet enligt ovan band-gap excitation. För våra prov, vätning lager utsläpp sker vid cirka 880 nm vid 4,2 K. Genom att koppla en cw laserstråle på 880 nm i waveguide av provet, kan man observera en strimma mönstret bildas av PL från vätning lagret, som visas i medföljande videon. Streak avslöjar sökvägen förökning av magnetiseringen ljuset som har varit kopplade till waveguide. Förekomsten av denna strimma kombinerat med förmågan att bild ytan av provet gör anpassning enkel.

Protocol

försiktighet: Vänligen var medveten om de eventuella farorna av laser spridning under justeringen. Bär lämpliga skyddsglasögon för skydd. För att underlätta justeringsprocessen, visningsprogram infraröd (IR-viewer) är nödvändigt. En IR-känslig fluorescerande kortet är också bra men inte nödvändigt. 1. provberedning Använd en diamant scribe att göra en mycket liten repa på kanten av den övre ytan av provet vid önskad plats av cleave. Använda två par flat änd…

Representative Results

Figur 1 visar en viss förverkligandet av nödvändig utrustning för att utföra resonant excitation av en enda quantum dot. Andra genomföranden är möjliga, men de kritiska komponenterna är: en magnetisering sökvägen till paret att waveguide; en samling väg att vägleda fluorescens till detektorer; en confocal excitation väg att excitera längs sökvägen samling; och en belysning väg till aktivera avbildning av provet ytan. <p class="jove_conte…

Discussion

De kritiska steg i protokollet är: mode-matchning och anpassningen av magnetiseringen balken på vågledare läge; och korrekt inriktning och fokusering av kollektion optiken. De svåraste delarna av dessa steg är inledande justeringen; Det är relativt enkelt att optimera kopplingen av en redan justerade inställningar. Överlappande områdena samling och magnetisering är ett steg som är enkla med förmågan att bild provet på kameran, men är mycket svårt utan denna förmåga. För att få hög kvalitet imaging, …

Materials

Tunable external cavity diode laser	Toptica Photonics	DL-Pro
Closed-cycle cryostat	Montana Instruments	Cryostation
Spectrometer, 750 mm focal length	Princeton Instruments	SpectraPro 2750
Thermoelectrically cooled charge-coupled device	Princeton Instruments	Pixis 100BR-eXcelon
HeNe laser	JDSU	1125P
Infrared sensitive camera	Sony	NEX-5TL	IR blocking filter removed
Power meter and detector	Newport	1918-C, 918D-IR-OD3
Adjustable aspheric fiber collimator	Thorlabs	CFC-8X-A
Air-Spaced Doublet Collimator	Thorlabs	F810APC-842
Protected Silver Mirrors x 5	Thorlabs	PF10-03-P01
Flip mounts x 2	Thorlabs	FM90
Aspheric condenser lens, f = 20 mm; K1	Thorlabs	ACL2520-B
Best form spherical lens, f = 50 mm; E2, L1, L2, K2	Thorlabs	LBF254-050-B
Best form spherical lens, f = 100 mm; E1, L4, K3, K4	Thorlabs	LBF254-100-B
Best form spherical lens, f = 200 mm; Lspec, Lcam	Thorlabs	LBF254-200-B
Plano-convex lens, f = 400 mm; L3	Thorlabs	LA1172-B
Molded glass aspheric lens, f = 8 mm; Eobj	Thorlabs	C240TME-B
Precision asphere, f = 10 mm; Lobj	Thorlabs	AL1210-B
Longpass Filters, 800 nm, x2	Thorlabs	FEL0800
Non-polarizing beam splitter cube (NPBS)	Thorlabs	BS029
Pellicle beam splitter	Thorlabs	BP108
Polarizer	Thorlabs	LPNIRE100-B
Light emitting diode, 940 nm	Thorlabs	M940D2